Законы Менделя. Причуды генетики.

Явление, при котором часть  гибридов второго поколения несет  доминантный признак, а часть  — рецессивный, называют расщеплением. Причем, наблюдающееся у гибридов расщепление не случайное, а подчиняется  определенным количественным закономерностям. На основе этого Мендель сделал еще  один вывод: при скрещивании гибридов первого поколения в потомстве  происходит расщепление признаков  в определенном числовом соотношении.

          Генетическая схема закона единообразия  Менделя

(А — желтый цвет  горошин, а — зеленый цвет  горошин)

P   ♀Aa  × ♂Aa

желтые  желтые

Типы гамет     A  a     A  a

F2   AA     Aa   Aa  aa

      желтые желтые желтые зеленые

        75%      25%

 

2.3. Закон чистоты  гамет

С 1854 года в течение восьми лет Мендель проводил опыты по скрещиванию растений гороха. Им было выявлено, что в результате скрещивания  различных сортов гороха друг с другом гибриды первого поколения обладают одинаковым фенотипом, а у гибридов второго поколения имеет место  расщепление признаков в определенных соотношениях. Для объяснения этого  явления Мендель сделал ряд предположений, которые получили название «гипотезы чистоты гамет», или «закона чистоты гамет». Мендель предположил, что:

1. за формирование признаков отвечают какие-то дискретные наследственные факторы;
2. организмы содержат два фактора, определяющих развитие признака;
3. при образовании гамет в каждую из них попадает только один из пары факторов;
4. при слиянии мужской и женской гамет эти наследственные факторы не смешиваются (остаются чистыми).

В 1909 году В. Иогансен назовет  эти наследственные факторы генами, а в 1912 году Т. Морган покажет, что  они находятся в хромосомах.

Для доказательства своих  предположений Г. Мендель использовал  скрещивание, которое сейчас называют анализирующим (анализирующее скрещивание  — скрещивание организма, имеющего неизвестный генотип, с организмом, гомозиготным по рецессиву). Наверное, Мендель рассуждал следующим  образом: «Если мои предположения  верны, то в результате скрещивания F1 с сортом, обладающим рецессивным  признаком (зелеными горошинами), среди  гибридов будут половина горошин  зеленого цвета и половина горошин  — желтого». Как видно из приведенной  ниже генетической схемы, он действительно  получил расщепление 1:1 и убедился в правильности своих предположений  и выводов, но современниками он понят  не был. Его доклад «Опыты над растительными  гибридами», сделанный на заседании  Брюннского общества естествоиспытателей, был встречен полным молчанием.

Р   ♀Аа  × ♂aа

желтые  зеленые

Типы гамет    A     a    a

F   Аа    аa

желтые   зеленые

50%   50% 

2.4. Закон независимого комбинирования (наследования) признаков, или третий закон Менделя

Организмы отличаются друг от друга по многим признакам. Поэтому, установив закономерности наследования одной пары признаков, Г. Мендель  перешел к изучению наследования двух (и более) пар альтернативных признаков. Для дигибридного скрещивания  Мендель брал гомозиготные растения гороха, отличающиеся по окраске семян (желтые и зеленые) и форме семян (гладкие и морщинистые). Желтая окраска (А) и гладкая форма (В) семян —  доминантные признаки, зеленая окраска (а) и морщинистая форма (b) — рецессивные  признаки.

Скрещивая растение с желтыми  и гладкими семенами с растением  с зелеными и морщинистыми семенами, Мендель получил единообразное  гибридное поколение F1 с желтыми  и гладкими семенами. От самоопыления 15-ти гибридов первого поколения  было получено 556 семян, из них 315 желтых гладких, 101 желтое морщинистое, 108 зеленых  гладких и 32 зеленых морщинистых (расщепление 9:3:3:1).

Анализируя полученное потомство, Мендель обратил внимание на то, что: 1) наряду с сочетаниями признаков  исходных сортов (желтые гладкие и  зеленые морщинистые семена), при  дигибридном скрещивании появляются и новые сочетания признаков (желтые морщинистые и зеленые гладкие  семена); 2) расщепление по каждому  отдельно взятому признаку соответствует  расщеплению при моногибридном  скрещивании. Из 556 семян 423 были гладкими и 133 морщинистыми (соотношение 3:1), 416 семян  имели желтую окраску, а 140 — зеленую (соотношение 3:1). Мендель пришел к  выводу, что расщепление по одной  паре признаков не связано с расщеплением по другой паре. Для семян гибридов характерны не только сочетания признаков  родительских растений (желтые гладкие  семена и зеленые морщинистые  семена), но и возникновение новых  комбинаций признаков (желтые морщинистые  семена и зеленые гладкие семена).

При дигибридном скрещивании  дигетерозигот у гибридов имеет  место расщепление по фенотипу в  отношении 9:3:3:1, по генотипу в отношении  4:2:2:2:2:1:1:1:1, признаки наследуются независимо друг от друга и комбинируются во всех возможных сочетаниях.

Р  ♀АABB  ×  ♂aаbb

желтые, гладкие  зеленые, морщинистые

Типы гамет  AB       ab

F1     AaBb

желтые, гладкие, 100%

P  ♀АaBb  ×  ♂AаBb

желтые, гладкие  желтые, гладкие

Типы гамет   AB     Ab     aB     ab     AB     Ab     aB     ab

Генетическая  схема закона независимого комбинирования признаков:

Гаметы:	♂	AB	Ab	aB	ab
♀
AB		AABB желтые гладкие	AABb желтые гладкие	AaBB желтые гладкие	AaBb желтые гладкие
Ab		AABb желтые гладкие	AAbb желтые морщинистые	AaBb желтые гладкие	Aabb желтые морщинистые
aB		AaBB желтые гладкие	AaBb желтые гладкие	aaBB зеленые гладкие	aaBb зеленые гладкие
ab		AaBb желтые гладкие	Aabb желтые морщинистые	aaBb зеленые гладкие	aabb зеленые морщинистые

 

Анализ результатов скрещивания  по фенотипу: желтые, гладкие — 9/16, желтые, морщинистые — 3/16, зеленые, гладкие  — 3/16, зеленые, морщинистые — 1/16. Расщепление по фенотипу 9:3:3:1.

Анализ результатов скрещивания  по генотипу: AaBb — 4/16, AABb — 2/16, AaBB — 2/16, Aabb — 2/16, aaBb — 2/16, ААBB — 1/16, Aabb — 1/16, aaBB — 1/16, aabb — 1/16. Расщепление по генотипу 4:2:2:2:2:1:1:1:1.

Если при моногибридном  скрещивании родительские организмы  отличаются по одной паре признаков (желтые и зеленые семена) и дают во втором поколении два фенотипа (2¹) в соотношении (3 + 1)¹, то при дигибридном они отличаются по двум парам признаков и дают во втором поколении четыре фенотипа (2²) в соотношении (3 + 1)². Легко посчитать, сколько фенотипов и в каком соотношении будет образовываться во втором поколении при тригибридном скрещивании: восемь фенотипов (2³) в соотношении (3 + 1)³.

Если расщепление по генотипу в  
при моногибридном поколении было 1:2:1, то есть было три разных генотипа (3¹), то при дигибридном образуется 9 разных генотипов — 3², при тригибридном скрещивании образуется 3³ — 27 разных генотипов.

Третий закон Менделя  справедлив только для тех случаев, когда гены анализируемых признаков  находятся в разных парах гомологичных хромосом.

 

3. Мутации

Мутацией  называют изменение количества или  структуры ДНК данного организма. Мутация приводит к изменению  генотипа, которое может быть унаследовано клетками, происходящими от мутантной  клетки в результате митоза или мейоза. Мутирование может вызывать изменения  каких-либо признаков в популяции. Мутации, возникшие в половых  клетках, передаются следующим поколениям организмов, тогда как мутации, возникшие  в соматических клетках, наследуются только дочерними клетками, образовавшимися путем митоза и такие мутации называют соматическими.

Мутации, возникающие в результате изменения  числа или макроструктуры хромосом, известны под названием хромосомных мутаций или хромосомных аберраций (перестроек). Иногда хромосомы так сильно изменяются, что это можно увидеть под микроскопом. Но термин «мутация» используют главным образом для обозначения изменения структуры ДНК в одном локусе, когда происходит так называемая генная, или точечная, мутация.

Представление о мутации как о причине  внезапного появления нового признака было впервые выдвинуто в 1901 г. голландским  ботаником Гуго де Фризом, изучавшим  наследственность у энотеры Oenothera lamarckiana. Спустя 9 лет Т.Морган начал изучать мутации у дрозофилы, и вскоре при участии генетиков всего мира у нее было идентифицировано более 500 мутаций.

3.1. Генные мутации

Внезапные спонтанные изменения фенотипа, которые  нельзя связать с обычными генетическими  явлениями или микроскопическими  данными о наличии хромосомных  аберраций, можно объяснить только изменениями в структуре отдельных  генов. Генная, или точечная (поскольку  она относится к определенному  генному локусу), мутация – результат  изменения нуклеотидной последовательности молекулы ДНК в определенном участке  хромосомы. Такое изменение последовательности оснований в данном гене воспроизводится при транскрипции в структуре иРНК и приводит к изменению последовательности аминокислот в полипептидной цепи, образующейся в результате трансляции на рибосомах.

Существуют  различные типы генных мутаций, связанных  с добавлением, выпадением или перестановкой  оснований в гене. Это дупликации, вставки, делеции, инверсии или замены оснований. Во всех случаях они приводят к изменению нуклеотидной последовательности, а часто – и к образованию измененного полипептида. Например, делеция вызывает сдвиг рамки.

Генные  мутации, возникающие в гаметах  или в будущих половых клетках, передаются всем клеткам потомков и  могут влиять на дальнейшую судьбу популяции. Соматические генные мутации, происходящие в организме, наследуются только теми клетками, которые образуются из мутантной клетки путем митоза. Они могут оказать воздействие на тот организм, в котором они возникли, но со смертью особи исчезают из генофонда популяции. Соматические мутации, вероятно, возникают очень часто и остаются незамеченными, но в некоторых случаях при этом образуются клетки с повышенной скоростью роста и деления.   Эти клетки могут дать начало опухолям – либо доброкачественным, которые не оказывают особого влияния на весь организм, либо злокачественным, что приводит к раковым заболеваниям. 

Эффекты генных мутаций чрезвычайно разнообразны. Большая часть мелких генных мутаций  фенотипически не проявляется, поскольку они рецессивны, однако известен ряд случаев, когда изменение всего лишь одного основания в определенном гене оказывает глубокое влияние на фенотип. Одним из примеров служит серповидноклеточная анемия – заболевание, вызываемое у человека заменой основания в одном из генов, ответственных за синтез гемоглобина. Молекула дыхательного пигмента гемоглобина  у взрослого человека состоит из четырех полипептидных цепей (двух a- и двух b– цепей), к которым присоединены четыре простетические группы гема. От структуры полипептидных цепей зависит способность молекулы  гемоглобина переносить кислород. Изменение последовательности оснований в триплете, кодирующем одну определенную аминокислоту из 146, входящих в состав b- цепей, приводит к синтезу аномального гемоглобина серповидных клеток (HbS). Последовательности аминокислот в нормальных и аномальных a -цепях различаются тем, что в одной точке аномальных цепей гемоглобина S глутамидовая кислота замещена валином.В результате такого, казалось бы, незначительного изменения гемоглобин S  кристаллизуется при низких концентрациях кислорода, а это в свою очередь приводит к тому, что в венозной крови эритроциты с таким гемоглобином деформируются (из округлых становятся серповидными) и быстро разрушаются. Физиологический эффект мутации состоит в развитии острой анемии и снижении количества кислорода, переносимого кровью. Анемия  не только вызывает физическую слабость, но и может привести к нарушениям деятельности сердца и почек и к ранней смерти людей, гомозиготных по мутантному аллелю. В гетерозиготном состоянии этот аллель вызывает значительно меньший эффект: эритроциты выглядят нормальными, а аномальный гемоглобин составляет только около 40 %. У гетерозигот развивается анемия лишь в слабой форме, а зато  в тех областях, где широко распространена малярия, особенно в Африке и Азии, носители аллеля серповидноклеточности невосприимчивы  к этой болезни. Это объясняется тем, что ее возбудитель - малярийный плазмодий  - не может жить в эритроцитах, содержащих аномальный гемоглобин.

 

3.2. Летальные мутации

Известны  случаи, когда один ген может оказывать  влияние на несколько признаков, в том числе и на жизнеспособность. Летальные мутации вызывают такие  изменения в развитии, которые  несовместимы с жизнедеятельностью. Доминантные летальные гены трудны для изучения, и сведения о них ограничены. Напротив, гены с рецессивным летальным действием изучены гораздо лучше. Известно множество рецессивных мутаций у различных организмов, которые никак себя не проявляют фенотипически. Существует также очень много доминантных мутаций, имеющих в гетерозиготном состоянии четко отличающийся фенотип, которые в гомозиготном состоянии вызывают летальный эффект. Фаза летального действия, т.е. время, когда мутантный ген реализуется, существенно варьирует: от самых первых этапов эмбрионального развития до периода полового созревания. В некоторых случаях летальные гены могут иметь более одной фазы летального действия. Это означает, что ген или его продукты могут иметь несколько раз активно работать и использоваться в ходе онтогенеза. Летальный эффект одних мутантных генов проявляется всегда, другие показывают существенную зависимость от условий среды.  У человека и у других млекопитающих определенный рецессивный ген вызывает образование внутренних спаек легких, что приводит к смерти при рождении. Другим примером служит ген, который влияет на формирование хряща и вызывает врожденные уродства, ведущие к смерти новорожденного.

Воздействие летального гена ясно видно на примере  наследования окраски шерсти у мышей. У диких мышей шерсть обычно серая, типа агути; но у некоторых мышей шерсть желтая. При скрещивании между желтыми мышами в потомстве получаются как желтые мыши, так и агути в отношении 2:1. Единственное возможное объяснение таких результатов состоит в том, что желтая окраска шерсти доминирует над агути, и что все желтые мыши гетерозиготны. Атипичное менделевское отношение объясняется гибелью гомозиготных желтых мышей до рождения. При вскрытии беременных желтых мышей, скрещенных с желтыми же мышами, в их матках были обнаружены мертвые желтые  мышата. Если же скрещивались желтые мыши и агути, то в матках беременных самок не оказывалось желтых мышат, поскольку при таком скрещивании не может быть потомства, гомозиготного по гену желтой шерсти.

Мутации, характеризующиеся в гомозиготном состоянии летальным эффектом, далеко не всегда фенотипически проявляются  у гетерозигот. К их числу относится  комплекс рецессивных t- мутаций у  мышей, локализованных в аутосоме. Одной  из самых ранних мутаций у млекопитающих, является мутация t12, вызывающая гибель гомозигот уже на стадии морулы (~20-30 клеток). Гетерозиготные животные имеют нормальный фенотип и жизнеспособность.